燃料电池系统以及提高燃料电池系统燃料效率的方法技术方案

本发明专利技术公开了一种燃料电池系统，包括燃料电池单元、燃料回收单元以及第一回流管道。该燃料电池单元包括一个含有阳极和阴极的燃料电池。该燃料电池的阳极用于产生含有酸性气体和未反应燃料气体的阳极输出流。该燃料回收单元包括含有非水性吸收液的酸性气体吸收器，用于从阳极输出流中吸收酸性气体，以产生含酸性气体的吸收液和含有未反应燃料气体的产出气流。该第一回流管道用于将产出气流输送回燃料电池单元。本发明专利技术还公开了一种提高燃料电池系统燃料效率的方法。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池系统以及提高燃料电池系统燃料效率的方法
本专利技术大体上涉及一种燃料电池系统，以及一种提高燃料电池系统燃料效率的方法。
技术介绍
燃料电池潜在地能够清洁、安静和高效地产生电力。不同于基于热能的发动机，燃料电池能够利用电化学过程将燃料中的化学能转化为电能。在各种各样类型的燃料电池中，固体氧化物燃料电池(SOFC)使用金属氧化物(如氧化钙、氧化锆)的硬质陶瓷化合物来形成其组成部分，例如，电极、电解液和连接体。通常，在SOFC中，在阴极，氧气被还原成氧离子，在阳极，燃料气体，如甲烷，通过氧离子被氧化成水和二氧化碳(CO2)。当使用碳氢化合物作为燃料气体时，会产生CO2，并成为SOFC的阳极输出流的一部分。该阳极输出流通常包括大约15％到30％的未反应燃料气体，包括氢气、一氧化碳，或甲烷。虽然燃料电池系统拥有清洁、安静发电等诸多优点，其燃料效率通常较低。为提高燃料效率，可以将未反应燃料气体再次利用。一种方法是将阳极输出流通入一气体发动机，如汽轮机、往复式发动机、斯特林发动机等，回收阳极输出流中的能量。然而，这种燃料电池和气体发动机的混合系统一般需要很大的空间。另一种方法是从阳极输出流中去除CO2，将CO2含量降低的阳极输出流再循环回到燃料电池系统中。用于去除CO2的其中一种材料是胺的水溶液。然而，通过热法蒸发方法来再生该胺的水溶液的能耗非常高，这样，虽然阳极输出流中的燃料气体被回收后再利用，但燃料电池系统的整体能耗通常还是非常高。因此，需要开发一种燃料效率有所改进的燃料电池系统，以及提高燃料电池系统燃料效率的方法。
技术实现思路
一方面，本专利技术提供一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括燃料电池单元、燃料回收单元以及第一回流管道。该燃料电池单元包括一个含有阳极和阴极的燃料电池，其中，阳极用于产生含有酸性气体和未反应燃料气体的阳极输出流。该燃料回收单元包括含有非水性吸收液的酸性气体吸收器，该酸性气体吸收器用于从阳极输出流中吸收酸性气体，以产生含酸性气体的吸收液和含有未反应燃料气体的产出气流。该第一回流管道用于将该产出气流输送回燃料电池单元。另一方面，本专利技术提高了一种提高燃料电池系统燃料效率的方法。该方法包括：从燃料电池系统的燃料电池单元的一个燃料电池的阳极产生阳极输出流，该阳极输出流包括酸性气体和未反应燃料气体；使用非水性吸收液吸收阳极输出流中的酸性气体，以产生含酸性气体的吸收液和含有未反应燃料气体的产出气流；以及将该产出气流输送回燃料电池单元。附图说明结合以下附图，通过接下来的详细描述，能够使本专利技术的以上的以及其它的方面、特征和优点更加清晰。图1为依据本专利技术燃料电池系统的一个实施例的示意图；以及图2为依据本专利技术提高燃料电池系统燃料效率的方法的一个实施例的流程图。具体实施方式以下将对本专利技术的具体实施方式进行详细描述。除非另作定义，在本文中使用的技术术语或者科学术语应当为本专利技术所属
内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“第一”或者“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分或元件。本文中使用的“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或”、“或者”并不意味着排他，而是指存在提及项目(例如成分)中的至少一个，并且包括提及项目的组合可以存在的情况。“包括”、“包含”、“具有”、或“含有”以及类似的词语是指除了列于其后的项目及其等同物外，其他的项目也可在范围内。本文中所使用的近似性的语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。因此，用“大约”、“约”、“左右”等语言所修正的数值不限于该准确数值本身。此外，在“大约第一数值到第二数值”的表述中，“大约”同时修正第一数值和第二数值两个数值。在某些情况下，近似性语言可能与测量仪器的精度有关。本文中所提及的数值包括从低到高一个单元一个单元增加的所有数值，此处假设任何较低值与较高值之间间隔至少两个单元。图1所示为依据本专利技术一个实施例的燃料电池系统10的示意图。作为一种实施方式，燃料电池系统10为SOFC系统。如图1所示，SOFC系统10包括燃料电池单元100和燃料回收单元200。燃料电池单元100包括一个燃料电池110，燃料电池110包括阳极111和阴极113。阳极111能够产生阳极输出流407，阳极输出流407中含有酸性气体和未反应燃料气体。通常，酸性气体包括CO2或硫化氢。燃料回收单元200包括酸性气体吸收器210，酸性气体吸收器210中含有非水性吸收液。该酸性气体吸收器210用于接收阳极输出流407并吸收阳极输出流407中的酸性气体，以产生含酸性气体的吸收液501和含有未反应燃料气体的产出气流411。产出气流411通过第一回流管道(图1中未显示)被输送回燃料电池单元100再利用。具体地，产出气流411被输送回燃料电池110的阳极111中，燃料电池单元100中任意其它燃料电池的阳极中，或者，不同于SOFC系统10的其他燃料电池系统中。非水性吸收液能够可逆地与CO2进行反应，和/或与CO2具有很高的亲和力。在某些实施例中，该位于酸性气体吸收器210中的非水性吸收液包括胺和非水溶剂。所述胺包括选自乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、三乙醇胺(TEA)、二甘醇胺(DGA)、二甲基乙醇胺(DMEA)、甲基二乙醇胺(MDEA)、单甲基乙醇胺(MMEA)、2-(2-氨基乙氧基)乙醇、氨基乙基乙醇胺(AEEA)、乙二胺(EDA)、二亚乙基三胺(DETA)、三亚乙基四胺(TETA)、四乙烯五胺(TEPA)、2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)、2-(乙氨基)乙醇(EAE)、2-(甲氨基)-乙醇(MAE)、2-(二乙基氨基)-乙醇(DEAE)、二异丙醇胺(DIPA)、甲基氨基丙胺(MAPA)、3-氨基丙醇(AP)、2,2-二甲基-1,3-丙二胺(DMPDA)、3-氨基-1-环己氨基丙烷(ACHP)、异丙醇胺(MIPA)、和2-甲基-甲醇胺中的一种或多种。在某些特别的实施例中，该胺是一种基于聚硅氧烷的胺。该基于聚硅氧烷的胺包括无机硅-氧主链(…-Si-O-Si-O-Si-O-…)，该主链被含有一个或多个氮原子的官能团官能化。含有一个或多个氮原子的官能团的示例包括：脂肪胺、亚胺、脒、酰胺、杂环氨基化合物如吡啶、芳香性胺如苯胺，以及诸如此类，和它们的组合。该含有一个或多个氮原子的官能团位于侧链上，也可能作为无机硅-氧主链的封端基团。该基于聚硅氧烷的胺包括一种线性或树枝状结构。该基于聚硅氧烷的胺的其中一个例子如下所示，其中，x＝2～10：该非水性吸收液中的非水溶剂包括一种含羟基的有机溶剂，其既能够溶解胺，也能够溶解胺与CO2的反应产物或耦合产物。该含羟基的有机溶剂包括选自乙二醇(MEG)、二乙二醇(DEG)、三羟甲基丙烷醚、丙三醇、三甘醇、四甘醇、1,3-二(3-羟丙基)四甲基二硅氧烷、1,1,3,3-四甲基二硅氧烷和三羟甲基丙烷烯丙基醚的氢化硅烷化反应产物、丁子香酚、异丁子香酚、2-烯丙基-6-甲基苯酚和2-烯丙基苯酚中的一种或多种。该非水性吸收液还可以包括一种吸收促进剂，例如哌嗪或哌嗪的衍生物。哌嗪的衍生物选自N-氨乙基哌嗪、N-甲基哌嗪、2-甲基哌嗪、1-乙基哌嗪、1-(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池系统，包括：燃料电池单元，包括燃料电池，所述燃料电池包括阳极和阴极，所述阳极用于产生含有酸性气体和未反应燃料气体的阳极输出流；燃料回收单元，包括酸性气体吸收器，所述酸性气体吸收器包括非水性吸收液，用于从所述阳极输出流中吸收所述酸性气体，以产生含酸性气体的吸收液和含有所述未反应燃料气体的产出气流；以及第一回流管道，用于将所述产出气流输送回所述燃料电池单元。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池系统，包括：燃料电池单元，包括燃料电池，所述燃料电池包括阳极和阴极，所述阳极用于产生含有酸性气体和未反应燃料气体的阳极输出流；燃料回收单元，包括酸性气体吸收器，所述酸性气体吸收器包括非水性吸收液，用于从所述阳极输出流中吸收所述酸性气体，以产生含酸性气体的吸收液和含有所述未反应燃料气体的产出气流；以及第一回流管道，用于将所述产出气流输送回所述燃料电池单元。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池是固体氧化物燃料电池。3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述酸性气体包括二氧化碳或硫化氢。4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述非水性吸收液包括胺和非水溶剂。5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述胺包括乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、二甘醇胺、二甲基乙醇胺、甲基二乙醇胺、单甲基乙醇胺、2-(2-氨基乙氧基)乙醇、氨基乙基乙醇胺、乙二胺、二亚乙基三胺、三亚乙基四胺、四乙烯五胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇、2-(乙氨基)乙醇、2-(甲氨基)-乙醇、2-(二乙基氨基)-乙醇、二异丙醇胺、甲基氨基丙胺、3-氨基丙醇、2,2-二甲基-1,3-丙二胺、3-氨基-1-环己氨基丙烷、异丙醇胺、2-甲基-甲醇胺和基于聚硅氧烷的胺中的一种或多种。6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述非水溶剂包括乙二醇、二乙二醇、三羟甲基丙烷醚、丙三醇、三甘醇、四甘醇、1,3-二(3-羟丙基)四甲基二硅氧烷、1,1,3,3-四甲基二硅氧烷和三羟甲基丙烷烯丙基醚的氢化硅烷化反应产物、丁子香酚、异丁子香酚、2-烯丙基-6-甲基苯酚和2-烯丙基苯酚中的一种或多种。7.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述非水性吸收液还包括哌嗪或哌嗪的衍生物。8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括：再生单元，用于分离所述含酸性气体的吸收液得到脱附气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡立舜，安德鲁·P·夏皮罗，伊丽娜·P·什皮里，帕特里克·G·卡罗尔，伊尔凡·S·胡塞尼，罗伯特·J·佩里，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国,US